TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 66 Tháng 9/2024 55
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TÁI CHẾ
RÁC THẢI NHỰA THÀNH SỢI IN 3D
Vương Gia Hải, Vũ Công Thu,
Hoàng Văn Trung, Nguyễn Thị Quỳnh Anh
Khoa Điện Cơ
Email: haivg@dhhp.edu.vn
Ngày nhận bài: 13/6/2024
Ngày PB đánh giá: 26/6/2024
Ngày duyệt đăng: 24/9/2024
Tóm tắt: Hiện nay tình trạng ô nhiễm rác thải nhựa đã, đang trở thành một trong những thách
thức lớn mà các quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt.
Trong bài báo này trình bày một giải pháp tái chế các loại chai nhựa phế thải thành sợi chỉ in
3D dùng làm nguyên liệu đầu vào cho quá trình in các vật phẩm lưu niệm, đồ chơi, vật trang
trí,... Chai nhựa phế thải sau khi làm sạch gá lên hệ thống kéo sợi, qua cụm dao cắt được cắt
thành dải nhựa, dải nhựa vừa cắt sẽ đưa qua mà kéo sợi tạo thành sợi chỉ theo tiêu chuẩn.
Nhiệt độ của quá trình tạo sợi in 3D luôn được giữ ổn định nhờ bộ điều khiển nhiệt độ. Qua
quá trình tính toán và thực nghiệm cho thấy độ bền của sợi in 3D do nhóm nghiên cứu tạo ra
cao hơn một số vật liệu in có trên thị trường mà giá thành lại rẻ hơn, có nhiều ưu điểm hơn.
Từ khóa: Chai nhựa, in 3D, thiết kế, tái chế, nhiệt độ.
RESEARCH ON DESIGN AND MANUFACTURE A SYSTEM FOR RECYCLING PLASTIC WASTE
INTO 3D PRINTING FILAMENTS
Abstract: Nowadays, plastic waste pollution has become one of the major challenges that
countries in the world in general and Vietnam in particular are facing. In this paper, we
present a solution to recycle waste plastic bottles into 3D printing filaments used as input
materials for the printing process of souvenirs, toys, decorative objects.... After being cleaned,
waste plastic bottles are placed on the spinning system, through the cutter cluster, cut into
plastic strips. The newly cut plastic strips will be passed through and spun to form standard
filaments. The temperature of the 3D printing filaments creation process is always kept stable
thanks to the temperature controller. Through experiments, it has been shown that the
durability of the 3D printing filaments created by the research team is higher than some
printing materials on the market but the price is cheaper and has many advantages.
Keywords: Plastic bottles, 3D printing, design, recycling, temperature.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, do sự phát triển của các
ngành khoa học công nghệ càng ngày mạnh
mẽ đi đôi với sự phát triển đó thì môi trường
ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là
ngày càng nhiều rác thải nhựa được đưa ra
ngoài môi trường mỗi ngày. Rác thải nhựa
đang trở thành một trong những thách thức lớn
mà các quốc gia đang phải đối mặt. Mỗi năm,
lượng chất thải nhựa do con người thải ra trên
56 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
phạm vi toàn cầu đủ để phủ kín 4 lần diện tích
bề mặt trái đất, trong đó có 13 triệu tấn chất
thải nhựa được đổ ra đại dương [1]. Ở Việt
Nam, thực trạng rác thải nhựa cũng đang gây
nhiều lo ngại. Theo số liệu thống kê từ Bộ Tài
nguyên và Môi trường, mỗi năm tại Việt Nam
có khoảng 1,8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra
môi trường, 0,28 triệu đến 0,73 triệu tấn trong
số đó bị thải ra biển [1]. Tuy nhiên, chỉ 27%
trong số đó được tái chế, tận dụng bởi các cơ
sở, doanh nghiệp. Điều đáng nói là việc xử lý
và tái chế rác thải nhựa còn nhiều hạn chế khi
có đến 90% rác thải nhựa được xử lý theo cách
chôn, lấp, đốt và chỉ có 10% còn lại là được tái
chế. Việt Nam đang đối mặt với nhiều nguy cơ
từ rác thải nhựa. Lượng rác thải nhựa gia tăng
nhanh chóng, năm 2014 khoảng 1,8 triệu
tấn/năm, năm 2016 khoảng 2,0 triệu tấn/năm
và hiện nay khoảng 3,27 triệu tấn/năm được
tạo ra tại Việt Nam. Khối lượng rác thải nhựa
đổ ra biển mỗi năm khoảng 0,28 - 0,73 triệu
tấn/năm (chiếm gần 6% tổng lượng rác thải
nhựa xả ra biển của thế giới). Tại Việt Nam,
bình quân mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1kg
túi nilon/tháng, riêng hai thành phố lớn là Hà
Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, trung bình
mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn rác
thải nhựa và túi nilon. Phân loại, thu hồi, tái
chế và xử lý rác thải nhựa còn hạn chế. Lượng
chất thải nhựa và túi nilon ở Việt Nam chiếm
khoảng 8-12% chất thải rắn sinh hoạt. Nhưng
chỉ có khoảng 11-12% số lượng chất thải nhựa,
túi nilon được xử lý, tái chế, số còn lại chủ yếu
là chôn lấp, đốt và thải ra ngoài môi trường.
Đây có thể dẫn đến thảm họa môi trường, đặc
biệt ô nhiễm đại dương [1].
Hiện nay tại Hải Phòng phải xử lý
khoảng 2000 tấn rác thải mỗi ngày bao gồm
nhựa và nilong. Trong đó, rác thải đô thị là
khoảng 1.100 tấn, rác thải ở khu vực nông
thôn là khoảng 600 tấn còn lại là chất thải rắn
công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng, chất
thải y tế nguy hại đạt đến mức báo động, làm
hại đến môi trường và cuộc sống xung quanh
mọi người.
Việc xử lý rác thải tại Việt Nam nói
chung và Hải Phòng nói riêng đã được thực
hiện bằng nhiểu cách như: chôn lấp, đốt, tái
chế,... nhưng vẫn chưa hoàn toàn xử lý được
vấn đề ô nhiễm do rác thải tạo ra, đặc biệt là
rác thải nhựa. Để góp một phần vào việc xử
lý rác thải nhựa, nhóm nghiên cứ đã đưa ra
giải pháp tái chế các chai nhựa thành sợi in
3D dùng trong công nghệ in 3D đang khá
phát triển hiện nay.
2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Công nghệ in 3D (AM) đã ra đời và
phát triển trở thành một giải pháp đầy hứa
hẹn, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau, từ sản xuất công nghiệp cho đến y tế,
giáo dục và nghệ thuật [2,3]. Các quy trình
này giúp chế tạo nhanh chóng các chi tiết
máy, các cụm chi tiết có các chức năng khác
nhau với thời gian thực hiện ngắn hơn và
giảm chi phí nghiên cứu và phát triển [4,5].
Nikam và cộng sự [5] đã khám phá khả năng
sản xuất sợi 3DP bền vững bằng cách tái chế
chai Polyethylene terephthalate (PET), sử
dụng vòi phun và khối gia nhiệt có đường
kính 1,6 mm để kiểm soát nhiệt độ chính xác,
đạt được đường kính sợi 1,65 mm đồng nhất
và sử dụng công cụ phân tích phần tử hữu hạn
(FEA) là SolidWorks để so sánh các tính chất
cơ học với vật liệu axit polylactic (PLA)
thông thường. Các phát hiện này cung cấp cái
nhìn mới hơn về việc tái chế chai PET như là
một giải pháp thay thế 3DP thân thiện với
môi trường, giảm rác thải nhựa và thúc đẩy
tính bền vững trong AM.
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã
nghiên cứu thiết kế hệ thống tái chế chai
nhựa đã qua sử dụng như: các chai nước lọc,
nước ngọt, các can đựng dầu ăn, xăng,...
thành sợi in 3D, một nguyên liệu sử dụng cho
công nghệ in 3D đang được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực của cuộc sống hiện nay.
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 66 Tháng 9/2024 57
3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TÁI CHẾ RÁC THẢI NHỰA
3.1. Cấu trúc của hệ thống tái chế rác thải nhựa
* Cấu tạo hệ thống tái chế: Gồm 2 phần chính: Cơ cấu chấp hành và hệ thống điều
khiển Hình 1
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống tái chế rác thải nhựa
3.2. Sơ đồ động và nguyên lý hoạt
động của máy
Trước tiên chai nhựa được lắp trên
thanh đỡ số 1; khi đi qua cụm dao cắt số 2 sẽ
cắt chai nhựa thải các dải nhựa số 3 sau đó
được đưa qua cụm gia nhiệt số 4, tại cụm gia
nhiệt do có nhiệt độ cao (khoảng 200 độ C)
nên dải nhựa sẽ bị làm nóng và chuyển từ
trạng thái cứng sang trạng thái dẻo, nhờ lực
kéo qua lỗ mà ở đầu cụm gia nhiệt nên sẽ tạo
hình thành sợi chỉ nhựa dạng tròn số 4, ngay
khi ra khỏi đầu lỗ mà, muốn sợi chỉ nhựa
nhanh đông cứng lại thì cần hạ nhanh nhiệt
độ xuống, ở đây hệ thống có sử dụng thêm
một quạt hút nhỏ để thực hiện việc này. Sau
khi sợi chỉ nhựa được tạo thành sẽ được cuộn
vào tang cuốn dây số 6. Toàn bộ chuyển động
của hệ thống được thực hiện nhờ động cơ
điện 12V số 8.
Trong quá trình hoạt động của hệ
thống, sự ổn định của nhiệt độ tại cụm gia
nhiệt sẽ quyết định đến năng suất và chất
lượng của vật liệu in 3D, tại cụm gia nhiệt có
lắp một cảm biến đo nhiệt độ và thông qua
mạch điểu khiển Arduino ta hoàn toàn có thể
kiểm soát được nhiệt độ tại đây. Tùy theo
mỗi loại vật liệu nhựa khác nhau và kích
thước sợi chỉ in 3D khác nhau mà hệ thống
làm việc với vận tốc khác nhau, sự thay đổi
tốc độ này có thể thực hiện bằng việc thay
đổi tốc độ của động cơ thông qua núm điều
chỉnh ở bảng điều khiển.
58 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
Hình 2. Sơ đồ động hệ thống tái chế rác thải nhựa thành chỉ in 3D
3.3. Thiết kế khung máy
Yêu cầu của máy là phải có kết cấu
vững chắc, bền, đẹp. Để đáp ứng được nhu
cầu vững chắc và cân đối giá thành vật liệu
khi thiết kế, nên chọn nguyên vật liệu chế tạo
khung máy là nhôm. Khung máy được thiết
kế là các thanh nhôm định hình có kích thước
20x20mm và 20x40mm. Bàn máy phải đủ độ
cứng vững và chịu được trọng lượng của các
thiết bị khi đặt trên nó. Để đáp ứng yêu cầu
trên và giá cả hợp lý trong nghiên cứu đã
chọn vật liệu cho bàn máy là gỗ ép . Đảm bảo
được độ bền và độ cứng vững trong quá trình
làm việc của các thiết bị. Bàn máy có kích
thước chiều dài x rộng x dầy: 666 x 226 x
8(mm). Hình 3
Hình 3. Kết cấu khung và bàn máy
3.4. Lựa chọn bộ truyền bánh răng
và động cơ cho hệ thống tang cuốn
Căn cứ vào lực kéo thực nghiệm
(160N), nhóm đã lựa chọn bộ truyền bánh
răng gồm các bánh răng có thông số như sau:
Z1 = 20 răng, Z2 = 30 răng, Z3 = 13 răng, Z4
= 65 răng
Tỷ số truyền = Z4/Z3*Z2/Z1 = 5*1.5 = 7.5
→ Vậy khi động cơ quay được 7.5
vòng thì bánh răng Z4 quay được 1 vòng
8 7 6534 12
TẠP CHÍ KHOA HỌC SỐ 66 Tháng 9/2024 59
Hình 4. Bộ truyền bánh răng
* Khoảng cách trục
+ Khoảng cách O1O2 = r1+r2 =
1/2*m(Z1+Z2) = 1/2*2(20+30) = 50(mm)
+ Khoảng cách O2O3 = r2+r3 =
1/2*m(Z2+Z4) = 1/2*2(30+65) = 95(mm)
+ Công suất động cơ qua giảm tốc: P =
84(w)
+ Momen xoắn trục động cơ
T = P*9.55/n = 84*9.55/45prm =
17.8(Nm)
+ Lực kéo khi thành sợi
Lực kéo sợi =175(N)→17.5(kg)
→Chọn động cơ chịu tải >17.5(Kg).
Trong nghiên cứu chọn động cơ DC giảm tốc
JGY370 High Torque Self-Lock DC Geared
Motor. Thông số kỹ thuật của động cơ được
trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của động cơ JGY370
Thông số
Giá trị
Điện áp (V)
12-24
Tỷ lệ giảm tốc
1/40
Công suất
(W) 80-100
Tr
ọ
ng lư
ợ
ng (g) 475
T
ố
ộ
(Vòng/phút) 90
Kích thư
ớ
ộ
ng cơ (mm)
57x38
Đư
ờ
ng kính tr
ụ
c đ
ộ
ng cơ
(mm) 8
Cụm tang cuốn để kéo và cuộn sợi in 3D
sau khi tạo hình được thiết kế gồm: gối đỡ, vòng
bi 608zz, thanh ti ren và ecu (∅8𝑚𝑚 𝑥1.25),
tang cuốn sợi in 3D. Thiết kế cụm tang cuốn chỉ
được trình bày trong Hình 5.
Hình 5. Cụm cuốn chỉ in 3D sau khi được tạo
hình
3.5. Thiết kế cụm gia nhiệt
Cụm gia nhiệt có vai trò rất quan trọng
trong quá trình tạo hình sợi in 3D từ chai
nhựa tái chế. Yêu cầu của cụm gia nhiệt cần
có dải nhiệt độ lớn, sự ổn định cao và cần duy
trì được những mức nhiệt ổn định khi gia
công cho từng loại nhựa khác nhau.
Kết cấu cụm gia nhiệt gồm: Khối
nhôm gia nhiệt, khuôn tạo hình kích thước
sợi in 3D, đồ gá khối nhôm nhiệt Hình 6.
3.6 Thiết kế cụm cắt
Hình 6. Hình ảnh thiết kế cụm gia nhiệt